遼寧瓦房店金伯利巖剝蝕深度與金剛石剝蝕量計算

王雪木，王 萍，胡 克

（1．海南省海洋地質調查研究院，海南 海口570206；2．中國科學院遙感與數字地球研究所，北京100094；3．中國地質大學 （北京），北京100083）

金剛石是一種具有重要工業價值與經濟價值的特殊礦產資源。按成因分類，賦存金剛石的礦床分為原生礦床和次生砂礦床兩種類型。現階段我國已查明的金剛石礦床主要分布在華北地臺與楊子地臺的湖南省、山東省和遼寧省。在我國發現的金伯利巖均分布于大斷裂構造的次級斷裂中，呈巖管、巖脈、巖墻或巖床狀沿斷裂帶成群產出。

遼寧省的金剛石礦產主要位于瓦房店地區，多為金伯利巖型原生礦，也有3處中小型砂礦。從20世紀70年代至今已發現112處金伯利巖體，包括24個巖管，88個巖脈，其中達到工業品位的金伯利巖管有6個（30、42、50、51、68、74號）；金伯利巖體呈由北向南間距約8km的3條礦帶（圖1）［1］，其中42、30號巖管在Ⅰ礦帶，50、51、68、74號巖管在Ⅱ礦帶，3條礦帶中的各巖體普遍含有金剛石（圖1）。各巖體內金剛石含量變化較大，一般為100～300mg／m3。該地區已發現的3處金剛石砂礦緊鄰原生礦，屬于以洪積作用為主的河谷砂礦和沖出錐型砂礦［2］。

本文以金伯利巖管的理想模型為基礎，結合前人勘探和采礦得到的巖管根部金剛石品位，對金伯利巖剝蝕深度及金剛石剝蝕量進行計算。

圖1 瓦房店地區地質構造略圖及金伯利巖分布圖

1 區域概況

瓦房店地區位于遼東半島南部，屬山地丘陵區，地勢由東北向西南逐漸降低，基底由太古界鞍山群和遼河群混合花崗巖、斜長角閃巖及各種片麻巖、片巖組成，巖石變質程度深，同位素年齡測定值為1700Ma［3］。區內出露地層有：太古界鞍山群，城子坦組黑云斜長片麻巖；下元古界遼河群，大石橋組大理巖、蓋縣組片巖；上元古界青白口系永寧組長石石英砂巖，釣魚臺組石英砂巖，南芬組砂巖、頁巖和泥灰巖，震旦系橋頭組石英砂巖，下古生界寒武系，奧陶系結晶灰巖、頁巖和粉砂巖；上古生界石炭系砂巖；中生界侏羅系、白堊系頁巖、砂巖、礫巖，第四紀砂礫石層分布于河谷兩側。金州斷裂是區內重要的斷裂構造，南起大連灣，北至熊岳，縱貫遼東半島，斷裂走向北東20～30°，傾向北西，傾角30～50°，該斷裂形成于古元古代，是控制晚元古代及古生代地層沉積并長期活動的正斷層［4］。以金州斷裂為界，東側新金凸起為長期抬升區，由前震旦紀古老變質巖系組成，并有中生代燕山期花崗巖侵入；西側復州坳陷區沉積了自上元古界以來的一套沉積巖系。區內巖漿活動不劇烈，除金伯利巖外，還有輝綠巖、橄欖玄武巖和流紋斑巖等，大多呈脈狀或床狀。目前已發現的金伯利巖體均分布于金州斷裂以西（圖1）［4］。

2 金伯利巖漿體系理想模型與瓦房店地區金伯利巖巖相判斷

1987年，R．H．Mitchell等人依據南非的金伯利巖深部構造，建立了金伯利巖巖管的理想模型：一個完整的金伯利巖巖管一般呈倒圓臺體形狀，由上到下依次為火山口相、火山通道相與淺成相（圖2）［5］。淺成相巖石除以巖管的根部帶產出外，還呈巖床雜巖和巖墻群；火山通道相與火山口相產狀與一般火山作用形成的相類似。巖相上，在淺成相中出露有金伯利巖與金伯利角礫巖；火山通道相出露凝灰狀金伯利巖和凝灰狀金伯利角礫巖，并常見球狀火山礫；火山口相包括熔巖、火成碎屑金伯利巖及外成碎屑金伯利巖。

在遼南研究區范圍的金伯利巖體中，含有凝灰狀構造、角礫狀構造和塊狀構造等。角礫成分包含了圍巖的碎屑角礫和早期金伯利巖碎屑角礫，從巖相上看，研究區的金伯利巖多數呈現為淺成相或接近根部帶的火山通道相。從形態上看，金伯利巖群呈現出“脈多管少”（巖脈88個，巖管24個）的特點，即多數金伯利巖體以巖墻形式產出，這一點也可說明該地區的金伯利巖為淺成相。

圖2 金伯利巖管理想模型圖

3 金伯利巖剝蝕深度與金剛石剝蝕量計算

金伯利巖漿在上升過程中，除侵入至地表爆破形成火山口相外，也有部分巖漿在上升過程中固結成巖，形成隱伏金伯利巖體。目前沒有證據顯示研究區周圍金伯利巖群在形成時是否都穿透至地表，因此在計算金伯利巖管剝蝕深度時，采用了在巖管中所能夠找到的年代最新的角礫物質所屬層位作為巖漿入侵的頂部地層，結合周圍區域地層的發育厚度，計算得出金伯利巖管形成時的深度。

3．1 剝蝕深度

根據同位素絕對年齡測試結果顯示，瓦房店地區的金伯利巖群形成于晚奧陶紀（465±2Ma）①《遼寧省復縣金剛石原生礦床地質研究報告》，1982。。

以瓦房店地區的42號巖管為例，計算剝蝕前巖管的理論深度。

42號巖管位于遼南金伯利巖區Ⅰ礦帶東段，現地表圍巖是釣魚臺組石英巖、粉砂巖、頁巖，巖體與圍巖界限清楚，由斑狀、角礫狀、球狀金伯利巖組成。根據圍巖角礫成分推斷，金伯利巖形成時侵入的最新地層層位是奧陶系中下部地層，主要剝蝕期在中生代晚期以后。通過查閱《遼寧省區域地質志》可知，該區地層缺失長嶺組以上地層，寒武系地層超覆在震旦系橋頭組之上［6］。查閱出巖管周圍各地層厚度后，計算得到42號巖管的理論剝蝕深度（表1）。

由表1可得到42號巖管的理論剝蝕深度為2728m。以同樣的方法可計算出6個達到工業品位巖管的理論剝蝕深度（表2）。

表1 42號巖管理論剝蝕深度

表2 各工業巖管理論剝蝕深度計算結果／m

3．2 剝蝕體積

世界各地的金伯利巖管在開采過程中發現一個現象：隨著開采深度的增加，巖管的面積減小。博茨瓦納的奧帕拉巖管，地表面積148萬m2，呈橢圓形，在120m深處變為窄長形，橫截面積減少20%左右。南非地區的眾多巖管，如普列米爾巖管地表面積48．4萬m2，垂深400m以內形態上沒有大的變化；德比爾斯巖管地表面積6．93萬m2，地表以下每加深100m，巖管橫截面積減少13．2%；金伯利巖管每加深100m，巖管橫截面積減少8%。前蘇聯地區的“和平”巖管，地表面積13萬m2，其地下深度每加深100m，橫截面積縮小13．6%［7］。一個完整的金伯利巖管在形成時，頂部面積與根部面積比值通常為5∶1～10∶1。本文在恢復研究區金伯利巖巖管形成時的地表面積時，采用了最小值5∶1。

根據巖管理論剝蝕深度與橫截面積之間的關系，可恢復出30號、42號、50號金伯利巖管形成時的完整形態復原圖（圖3）。

復原后的金伯利巖筒形狀（圖3）近似倒圓臺，應用圓臺的體積公式（式（1））對圓臺進行體積計算，得出各巖管的剝蝕體積。再利用各巖管勘探時獲得的金剛石品位，結合巖管剝蝕體積，計算得出金剛石剝蝕量（表3）。

式中：S和S′為圓臺兩個底面面積，h為圓臺高。

在金伯利巖管實際開采中，發現大部分金伯利巖管的金剛石品位具有隨著深度的增加而下降的趨勢。例如南非普列米爾巖管，隨著開采深度的增加，金剛石的品位不斷下降，在400m深時已經由剛剛投產時的1．5～3克拉／m3下降到0．34克拉／m3，差距達5～10倍之多。另外，在金伯利巖的巖脈和巖床中亦含有金剛石，部分巖脈甚至賦存有高品位的金剛石，本文在計算時采用的是淺成相賦存金剛石的品位數據，沒有將巖脈、巖墻的金剛石剝蝕量計算在內，因此所得到的數據較為保守。

圖3 金伯利巖管復原圖

表3 各達到工業品位的金伯利巖管理論剝蝕體積與金剛石剝蝕量

由表3可知，在瓦房店地區的金伯利巖群中，僅6個達到工業品位的金伯利巖管在形成之后的剝蝕體積達到4．25億 m3，金剛石的剝蝕，量達到約2．28億克拉。

在這里存在一個問題：地質歷史時期的剝蝕速率無法根據現有地勘工作得到確切的數據，所以本文計算出的金剛石剝蝕量是金剛石原生礦自晚奧陶紀形成以來所剝蝕掉的總量。新構造運動以來金伯利巖原生礦區活動較為強烈，表現為地表間斷性抬升，在這一期間金剛石原生礦持續被剝蝕，在原生礦附近形成了沖積型和坡積型砂礦；在河流兩側的高級階地中普遍存在早期金剛石，雖然沒有發現達到工業品位的金剛石砂礦，但整體賦存量不可忽略。

4 結 論

本文通過研究遼寧瓦房店地區金伯利巖群中主要成礦巖管的巖管形態，聯系區域構造運動，依據前人的地質工作成果，計算出本區金伯利巖管的剝蝕深度在2．3～2．8km左右。

根據本區達到工業品位的6個金伯利巖管的品位數據，聯系世界上已知的較完整的金伯利巖管形態變化規律，恢復了該地區金伯利巖管形成時的形態，由此計算出本區6個達到工業品位的巖管的剝蝕體積為4．25億m3；進而計算出自形成之后6個巖管被剝蝕的金剛石總量，達到2．28億克拉。

致謝：中國地質大學（北京）趙磊教授在本文的編寫過程中提出了寶貴的意見；遼寧省第六地質大隊提供了資料查閱方面的種種便利，在此謹表謝忱。

［1］ 董振信．中國金伯利巖［M］．北京：科學出版社，1994：1－2．

［2］ 張培元．中國金剛石礦床［M］／／張培元文集．北京：地質出版社，2000：151－156．

［3］ 池際尚，路鳳香，等．華北地臺金伯利巖及古生代巖石圈地幔特征［M］．北京：科學出版社，1996．

［4］ 齊玉興，施中爽，韓柱國．遼寧金剛石礦找礦與勘查［J］．遼寧地質，1998，6（2）：111－125．

［5］ R．H．Mitchell．金伯利巖［M］．北京：中國地質大學出版社，1991．

［6］ 遼寧省地質礦產局．遼寧省區域地質志［M］．北京：地質出版社，1989．

［7］ 張培元．世界金剛石礦床的形成與分布規律［M］．北京：地質出版社，1982．